現場總線技術在660 MW超臨界機組上的應用分析

張戰強

(神華國能寧夏煤電有限公司，銀川 750410)

0 引言

數字化電廠是當今發電技術和智能電網技術發展的必由之路，而現場總線技術已經成為建設數字化電廠[1]的基礎，是目前自動化技術的熱點和發展趨勢。通過現場總線技術，使現場熱工設備智能化和數字化，不但可以實現常規的控制要求，還能把組(子組)級控制下放到現場設備級進行控制，徹底分散控制風險；另外,還能實現設備在線監視和診斷并實現資產在線管理，為電廠實現數字化、智能化管理提供了條件。隨著現場總線控制技術及產品的不斷發展完善，其憑借數字化、智能化優勢，在新建和改造電站工程中引入現場總線技術越來越多。

目前國內各發電集團都十分關注現場總線控制技術的應用。現場總線控制系統(FCS)在國內電廠中的應用范圍已不再局限于輔助車間。在吉林九臺電廠、南京金陵電廠、神華勝利電廠等項目中，現場總線技術都在主廠房內得到大面積應用。在這些電廠的總線技術應用中，各分散控制系統(DCS)總線通信一般采用過程現場總線通信協議(PROFIBUS)或基金會現場總線(FF)通信協議，鮮有綜合利用這2種總線技術的。本文以寧夏鴛鴦湖電廠(以下簡稱鴛鴦湖電廠)為例，介紹綜合2種總線通信協議的新型現場總線控制系統在電廠的應用情況。

1 系統概述

鴛鴦湖電廠一期工程建設規模為2×660 MW超臨界、直接空冷、凝汽式汽輪發電機組。鍋爐為SG-2141/25.4-M978型、 2 141 t/h超臨界壓力直流鍋爐；汽輪機為D600H型超臨界直接空冷汽輪機。

DCS采用ABB公司基于現場總線技術、具有強大過程控制功能的Industrial IT System 800xA。該系統是一個功能完備的可擴展自動化系統，重新定義了控制系統功能性標準，將自動化系統的范圍進行拓展，提供了一個單一的平臺，將操作運行、工程組態和信息高度集成在一起。

2 現場總線技術的應用原則

2.1 FCS總線協議的選擇

對于火電廠過程控制而言，在目前發展應用比較成熟的總線技術協議[2]中，FF較適用于連續量控制(取代4～20 mA模擬量)，能夠完成較單純的單回路或串級調節任務。但對于存在多回路耦合的復雜控制，如果網段、設備分布設計不當，將直接影響工藝系統及設備的安全運行。而PROFIBUS較適用于離散量控制，同時也適用于連續量控制，只是在連續量控制方面略遜于FF總線。

綜合國內外現場總線的應用經驗以及2種總線通信協議的技術特點，ABB公司推出了支持FF現場總線和PROFIBUS現場總線的Industrial IT System 800xA系統。鴛鴦湖電廠在國內首次采用這種技術方案。

2.2 FCS總線應用范圍的確定

鑒于爐膛安全監控系統(FSSS)、汽輪機數字電液控制系統(DEH)、汽輪機本體緊急跳閘系統(ETS)對機組安全運行至關重要，而且對回路處理速度要求高，FSSS，DEH和ETS基本采用成熟的常規控制系統。其他方面，為保證事件順序記錄(SOE)的分辨率，仍采用常規DI卡或專用SOE卡；

二位式氣動閥門布置較為分散，如采用帶總線接口的閥島進行控制不太合適，還是采用常規I/O方式接入DCS；溫度信號如采用現場總線變送器，相對價格過高，仍沿用常規的遠程I/O方式接入DCS。

目前，很多項目對現場總線的應用范圍[3]僅在非主要設備、輔助工藝系統方面。控制功能方面，主要考慮非主要、單操設備的啟停或開關操作，以及輔助系統設備的啟停控制。

鴛鴦湖電廠在這些方面進行了一些嘗試性應用，納入現場總線控制的設備、工藝系統不僅局限于輔助系統或非主要單操設備。一些帶保護、聯鎖控制的設備也采用了現場總線設備進行控制，最終納入現場總線控制的系統如下：鍋爐風煙系統；鍋爐制粉系統；鍋爐暖風器系統；汽輪機抽汽系統；汽輪機輔汽、軸封系統；汽機凝結水、疏水系統；汽輪機開、閉式水系統；脫硫系統。這些系統中包含數據采集和涉及保護聯鎖的設備，如鍋爐二次風量、一次風量、密封風壓力測量等。

3 現場總線技術的應用

3.1 系統網路及總線通信技術

Industrial IT System 800xA系統網路按域組建，采用常規的四級(廠級-客戶/服務級-控制級-現場級)網路布置結構，通過對數據流量進行分級優化分工，確保各級網路獲得最優的網路通信速率。現場總線設備在現場設備級上。

在鴛鴦湖電廠的應用中，總線技術分為2種，即控制器與I/O系統間數據交換采用2種方式。其一，利用控制器與該系統內置的模件總線(Module Bus)來實現。模件總線采用電氣或光纖等介質，其中：電氣介質將在模件安裝端子單元的安裝底座上直接提供；而光纖介質的使用則需要相應的接口電路及專門的通信接口設備等協助提供。該方式一般采用集中布置方案。其二，利用控制器與該I/O系統間的一級網路之現場總線來實現。不同現場總線通過特定的通信接口設備及介質來實現總線通信，現場總線采用遠程布置方案，利用控制器的現場總線通信方式進行。當然，使用光纖模件總線和現場總線，最后均在I/O連接中由電氣模件總線完成數據連接和系統整合。

另外，Industrial IT System 800xA系統現場總線是全方位完全冗余的，控制使用的控制器、通信處理模件、傳輸線路等均冗余。網絡連接提供冗余的光纜連接方案，支持冗余、非冗余、線性、星型、環形等網絡結構；電子間與就地柜間采用了冗余光纜連接。就地柜模件供電采用了冗余電源，不間斷電源(UPS)和保安電源2路供電，保證了電源的可靠性。Industrial IT System 800xA全方位現場總線冗余方案設計大大提高了系統的可靠性，為現場總線的應用創造了條件。

3.2 現場總線網絡結構

Industrial IT System 800xA系統提供了功能強大的現場總線連接，通過支持不同的通信協議(PROFIBUS，FF和HARD協議等)，利用各專用通信接口模件，引入不同的現場總線設備，組成總線網路通信系統。

3.2.1 FF總線網路

FF總線網路結構如圖1所示。FF總線網路通過CI860通信卡與控制器連接通信，包括1個HSE網，H1總線連接可以有多個。FF子系統由FF連接設備(LD)組成，FF連接設備(LD)與使用高速以太網(HSE)協議的設備進行通信。通常1個FF連接設備(LD)可以提供多個FF H1網段。FF連接設備帶一個42c的設備類，其允許這些在H1網段循環發布的過程數據發布到HSE網段上。使用HSE發布功能，可以使不同H1網段上的設備與HSE網段上的設備組態循環數據通信。

圖1 FF總線網路結構

HSE網絡支持總線型、星型及環型結構，通信速率100 Mbits/s，傳輸介質、距離與標準以太網相同。FF總線H1網典型的網絡拓撲結構有點對點、總線型和樹型，傳輸速率統一為31.25 kbits/s。H1網傳輸介質采用雙紋線，雙絞線分A類線(非本安場合)和B類線(本安場合)。H1總線為總線供電，為現場設備提供電源。

3.2.2 PROFIBUS總線網路

PROFIBUS總線網路結構如圖2所示。PROFIBUS總線網路通過CI854通信卡與控制器連接通信，主要分DP總線和PA總線2種網段，主站間按令牌環方式，主站和從站按主從方式工作。傳輸介質為屏蔽雙絞線(分DP總線和PA總線2種)，PA總線通過DP/PA COUPLE耦合器轉化為DP總線連接到控制站上。DP總線最大傳輸速率12 Mbits/s，PA總線傳輸速率統一為31.25 kbits/s，可用中繼器(Repeater)增加傳輸距離。

圖2 PROFIBUS總線網路結構

PA總線一般連接就地變送器等儀表，DP總線連接電動門、電氣400 V馬達泵等執行機構，2種總線均最多允許使用4個中繼器，擴展5段總線，每條總線各網段末端設有終端電阻。

3.3 現場總線設備的應用

PROFIBUS-DP設備包含所有現場總線執行器以及400 V電動馬達。執行器總線通信采用冗余設計，使用雙通道總線接口板實現通信冗余；400 V電動馬達SIMOCORD通信未采用冗余設計。

FF現場設備不支持冗余，因此現場設備直接使用H1電纜接入現場就地接線盒，這種現場總線就地接線盒每個分支都有短路保護和主干漏電保護，易接地，防屏蔽，具有較高的可靠性。鴛鴦湖電廠FF現場設備主要是現場使用的儀表、變送器，如壓力、差異、流量、液位等變送器。

現場總線就地設備一般包含有資源塊、傳感器塊和功能塊3種。其中，資源塊可以使主機控制器讀取就地設備的物理特性信息(如設備類型、狀態等)；傳感器塊用來連接物理傳感器或執行機構到信息中心，讀取溫度、壓力、閥位等信息；功能塊獨立于主機系統，封裝基本的自動化功能，通過總線虛擬通信技術，實現總線設備的現場控制。

在現場總線控制系統中，除通過DCS控制器內部運算來控制現場總線設備外，還可以進行總線設備之間的現場控制(如圖3所示)，無需經過DCS的AP控制器，通過現場總線設備的內部功能塊運算，利用總線虛擬通信技術，讀取需要的控制信息，完成簡單的自動化控制功能。

圖3 現場總線設備就地控制流程

4 總線技術應用經驗

現場總線技術已經在現有電廠中得到大量應用，但是2種總線技術同時在660 MW機組上大規模運用還未見報道，鴛鴦湖電廠一期工程通過工程實施，積累了一些有益經驗。

(1)通過對PROFIBUS和FF 2種現場總線綜合應用實踐，充分利用了2種總線的技術優點，豐富了FCS的使用內涵，突出了總線技術應用優勢。但這種混合使用方式基于某個強大的DCS通信協議的兼容性，在大面積推廣方面還沒有統一模式；2種總線現場設備的使用對技術人員提出了更高的要求。

(2)現場總線在全廠范圍全面使用，其設備故障的診斷問題和網路的安全性問題一直受到關注。盡管各總線廠家開發了多種診斷設備，但如何對總線設備故障進行在線診斷一直是困擾傳統技術人員的一大難題；現場總線網絡不采用冗余方式是可以接受的，但總線上的某個節點故障而封鎖總線時，將影響總線大部分設備的工作。由于對可靠性和安全性的要求，Industrial IT System 800xA系統現場總線采用了全方位冗余設計配置，這在一定程度上抵消了現場總線節省布線的優點，增加了工程造價。今后結合電廠的實際情況，結合工藝系統的特點，采取什么樣的冗余方案，值得探討。

(3)DCS冗余控制器的部分計算功能分散到現場總線智能儀表中，可以實現徹底控制分散，降低DCS控制器故障的影響范圍；但這種雙向通信增加了網絡負擔，降低了總線網絡的可靠性。

(4) 以總線型現場儀表為基礎的現場總線控制系統，在功能上已經具備信息管理、問題診斷以及控制優化等能力，但出于人才、管理等方面因素考慮，其應用廣度和深度是有限的，現場總線技術全面的智能化使用還有待時日。

5 結論

現場總線控制系統已經成為一種成熟的控制系統，是建設數字化、智能化電廠的需要，但還需要在電站工程實踐中不斷擴大應用范圍。PROFIBUS和FF現場總線綜合應用模式在鴛鴦湖電廠的嘗試是成功的，豐富了現場總線控制系統的使用內涵，積累了設計和工程經驗。根據應用經驗和實際效果，將在后續工程中適當推廣。

參考文獻：

[1]劉宇穗,張振全,李軍,等.數字化電廠架構及現場總線控制系統設計[J].熱力發電，2008(12)：83-85.

[2]趙瑞陽.現場總線技術在電廠的應用[J].發電設備,2006(1)：63-65.

[3]黃冬蘭,吳國瑛.現場總線技術在數字化電廠中的應用范圍及投資分析[J].工業控制計算機，2009(8)：74-76.